基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術(shù)解析

作者：王凱博，呂耀輝,，徐濱士,，孫 哲 （裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室）

鎳基高溫合金憑借其耐高溫、耐腐蝕、耐復(fù)雜應(yīng)力等性能,，在制作渦輪發(fā)動機(jī)工作葉片,、導(dǎo)向葉片、飛機(jī)發(fā)動機(jī)以及工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)等高溫零部件方面具有廣泛的適用性,，也因此被稱作“發(fā)動機(jī)的心臟”,。但當(dāng)這些零部件在高溫、復(fù)雜應(yīng)力,，特別 是在海水中等復(fù)雜環(huán)境下工作時,， 容易產(chǎn)生裂紋、磨損,、斷裂和腐蝕等,，致使零部件大量報廢。采用增材再制造技術(shù)對廢舊零部件“再制造”,，可使其價值得到最大程度的發(fā)揮,，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)收益 。

增材再制造技術(shù)就是利用增材制造技術(shù)對廢舊 零部件進(jìn)行再制造修復(fù)：


首先,，利用數(shù)字加工的一些原理掃描出零部件的3維數(shù)字模型,；
然后，對數(shù)字模型進(jìn)行后處理,，得出缺損部分的3維數(shù)字模型,；
最后，通過一層一層向上疊加的方式直接快速加工 出缺損部分,。

其建立在數(shù)控CAD/CAE/CAM ,、焊接、新材料等已有的成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上,，核心理念是“逐層疊加,、分層成形”。自20世紀(jì)開始,，美國就在B-52轟炸機(jī)和M1坦克等軍用裝備上進(jìn)行了增材再 制造,， 并將武器系統(tǒng)的更新?lián)Q代和再制造技術(shù)列為國防科技重點研究領(lǐng)域。國內(nèi)也成功地將增材 再制造技術(shù)應(yīng)用在各種軍用裝備上,，產(chǎn)生了巨大的 經(jīng)濟(jì)效益 ,。由于增材再制造技術(shù)本身還不夠成熟，目前研 究尚處于初級階段,，因此存在許多亟待解決的問題,。為此，對基于焊接的增材再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹,，通過對比不同焊接工藝,，提出未來發(fā)展的研究熱點,。

1焊接工藝
鎢極氬弧焊
鎢極氬弧焊（GasTungstenArcWelding， GTAW）是以鎢棒作為電弧一極的氣體保護(hù)電弧焊,。其應(yīng)用非常靈活,，尤其是與激光熔覆相比，可以更容易地處理銅,、鋁,、鎂等有色金屬的增材再制造。此外,，其弧長及電弧穩(wěn)定性好,，焊接電流下限不受焊絲 熔滴過渡等因素制約，最低焊接電流可用到2A,。但它自身仍有一些不足：一方面,，鎢極的承載能力有 限，過大電流容易使鎢極燒損,，從而限制了熔深,；另 一方面，隨著電流的增大,，鎢極電弧的發(fā)散變得嚴(yán)重,，使得熔池成形之后塌陷，嚴(yán)重影響成形質(zhì)量,。


影響GTAW工藝的因素主要有焊接電流,、鎢極直徑、弧長,、電弧電壓及焊速等,。其中：焊接電流是決定GTAW焊縫成形的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)其他條件不變時,，焊接電流的增加可導(dǎo)致電弧壓力,、熱輸入及弧柱直徑增加，使焊縫熔深,、熔寬增大；弧長范圍通常為0．5～3．0mm,，當(dāng)成形件變形小時,，弧長取下限，否則取上限,；焊接速度是調(diào)節(jié)GTAW熱輸入和焊道形狀的重要參數(shù),，焊接電流確定后，焊速有相對應(yīng)的取值范圍,，超過該范圍上限,，易出現(xiàn)裂紋,、咬邊等缺陷。

等離子弧焊
以等離子弧為焊接熱源的增材再制造方法稱為等離子增材再制造（PlasmaAdditiveＲemanufactu-ring,，PAＲ）,。其中，等離子弧是一種壓縮的鎢極氬弧,，鎢極氬弧最高溫度為10000～24000K,，能量密 度小于104W/cm2 ，而等離子弧的溫度高達(dá)24000 ～50000K,，能量密度可達(dá)106～108W/cm2,。依靠噴嘴的機(jī)械壓縮作用，同時伴隨著最小電壓原理 產(chǎn)生的熱壓縮以及弧柱本身的電磁壓縮,，使等離子 弧的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎢極氬弧,，甚至能夠達(dá)到激光的能量密度 ，圖1為二者電弧形態(tài)的對比,，自由電弧的擴(kuò)散角約為45°,，等離子弧則僅有5°。

與采用激光焊接電源相比,，PAＲ具有絕對的成本優(yōu)勢,。據(jù)資料顯示：常見激光焊接電源一般價格在50萬美元左右，而等離子弧焊接電源價格則只有7000美元,，不足激光焊接電源價格的2%,。與GTAW相比，PAＲ的工藝調(diào)節(jié)較為繁瑣,，主要包括噴嘴結(jié)構(gòu),、電極內(nèi)縮量、離子氣流量,、焊接電流,、焊接速度和噴嘴高度。其中：噴嘴結(jié)構(gòu)和電極內(nèi)縮量是其他工藝參數(shù)選擇的前提,，通常根據(jù)材料種類和成形條件來確定,；離子氣流量決定了等離子弧的穿透力，離子氣流量越大,，電弧穿透能力越強(qiáng),。

激光熔覆成形
以激光為熱源的增材再制造成形技術(shù)通常被稱為激光熔覆成形（LaserDepositionForming，LDF）,，是目前發(fā)展最為廣泛的增材制造技術(shù)之一,。控制LDF成形質(zhì)量的因素主要有激光功率,、掃描速度,、粉末粒度,、送粉量和載氣流量等。與GTAW和PAＲ相 比,， LDF成形過程需要考慮粉末對激光的吸收率,。當(dāng)送粉量一定時，可通過調(diào)節(jié)激光功率和掃描速度來獲得所需的激光能量,。LDF的顯著特點是能量密度高,、電弧熱量集中、焊接熱影響區(qū)小,、溫度梯度大,、 成形效率高，但焊后有很高的殘余應(yīng)力,，因此多 采用脈沖方式調(diào)節(jié)激光的熱輸入,。目前的研究結(jié)果表明：采用脈沖激光熔覆成形可獲得稍低的熱 輸入量，能對焊接成形有更好的控制,。

相反,， GTAW和PAＲ在提供高熱輸入量的同時，會增大焊后熱影 響區(qū),，惡化成形后工件組織性能,。采用脈沖工藝，則可利用脈沖峰值電流熔化基材,、基值電流維弧,，通 過峰值電流與基值電流的交替變化可有效地分散焊接過程的熱積累，從而減小焊接熱影響區(qū),。Balachandar等研究表明：利用合適的脈沖工藝參數(shù),，可以有效地減少GTAW的焊接熱影響區(qū)，從而在提高焊接接頭力學(xué)性能的同時,，也提高并穩(wěn)定了焊接接頭硬度值,， 甚至力學(xué)性能優(yōu)于焊接熱處理后的力學(xué)性能。Chen等采用脈沖工藝對比分析了小孔PAＲ和GTAW,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：脈沖等離子弧焊可有效地減小焊接熱影響區(qū)寬度,，且使熔合區(qū)的金屬組織更為致密。

為了對比在不同焊接工藝下快 速成形的綜合有效性,， Martina等利用直接成形的寬度,、層間高度等參數(shù)進(jìn)行建模，結(jié)果表明：PAＲ 比GTAW和LDF直接成形都具有顯著優(yōu)勢,。不同 焊接工藝成形性對比如圖2所示�,？傊�,，基于不同焊接工藝的增材再制造技術(shù)各有特點：GTAW效率高,、設(shè)備成本低，但其輸入熱量大,、零件成形精度不高,；脈沖LDF熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)小,，且成形效果優(yōu)良,，但其設(shè)備價格昂貴；PAＲ技術(shù)在設(shè)備成本上相較于LDF具有顯著優(yōu)勢,，其沉積效率約為98%,，最大沉積率可達(dá)到1．8kg/h，成形零件的有效寬度和沉積率高于GTAW和LDF,。

2組織與性能

基于焊接的增材再制造成形技術(shù)是一個受多參 數(shù)影響的復(fù)雜焊接過程：熱源能量輸入,、 CAD模型掃描數(shù)據(jù)、焊接路徑規(guī)劃,，都會對微觀組織的形態(tài),、 晶粒生長方式、晶界夾雜以及偏析等產(chǎn)生影響,，進(jìn)而影響鎳基高溫合金的整體性能,。國內(nèi)外學(xué)者對此作了大量深入的比較研究。

成形件組織特征
何紹華利用Inconel718合金通過LDF得到了成形件,，對其沉積態(tài)組織進(jìn)行深入分析得出：熔覆層組織是由具有方向性生長的柱狀枝晶組成,，生長 方向為由基體向外，并且在枝晶間有Mo,、Nb等元素的偏析及少量碳化物生成,，這對基體的拉伸強(qiáng)度產(chǎn) 生不良影響，試驗測得沉積態(tài)試樣室溫情況下的拉伸強(qiáng)度不足變形合金的50%,；而經(jīng)過熱處理工藝后,，晶粒被細(xì)化，消除了部分枝晶偏析,，較好地提高了試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,。這與美國Dinda等的研究結(jié)果相似，后者發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)柱狀晶能夠定向生長,，為沿著沉積軌跡高度向上,。不同的熔池 冷卻速率是導(dǎo)致成形件從下到上組織不均勻的原 因，如圖3所示,。同時,，Dinda等研究發(fā)現(xiàn)：在熱處理時，在1200℃的溫度下柱狀枝晶能夠轉(zhuǎn)變成等軸晶,，且在700℃下γ'和γ″相的析出使試樣的顯微硬度增高,。

圖3 鎳基高溫合金激光快速成形沉積態(tài)組織特性

徐富家采用PAＲ成形了Inconel625薄壁零件,，如圖4所示，結(jié)果表明從底部到頂部組織呈現(xiàn)不 同的形態(tài)特點：
1）底部組織呈現(xiàn)細(xì)小的胞狀晶,，沒有發(fā)達(dá)的二次枝晶,；
2）中部組織為明顯的胞狀枝晶形態(tài)， 并且枝晶間距增大,；
3）在試樣上部出現(xiàn)了較為發(fā)達(dá)的二次橫枝,，枝晶間距明顯增大；
4）在試樣頂部則出現(xiàn)了由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的過渡區(qū),。
文獻(xiàn)作者研究發(fā)現(xiàn)：在增材再制造過程中,，溫度梯度增加、冷卻速度增大,、熱輸入量減小都可以使組織形核率增大,，從而使晶粒變得十分細(xì)小，也使整體組織更為細(xì)密,，試驗測得這種情況下成形件的拉伸力學(xué)性能有所提升,。上述研究結(jié)果表明：冷卻速率和熱輸入量的變化是沉積態(tài)組織柱狀枝晶形成的原因，且大多都是定性的描述,，對枝晶的大小,、分布及間距與冷卻速率和熱輸入的定量關(guān)系研究較少。

工藝參數(shù)對組織性能的影響

掃描路徑
烏日開西·艾依提采用PAＲ技術(shù)研究了不 同掃描路徑對成形件力學(xué)性能的影響,， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沿掃描路徑平行方向的試件抗拉強(qiáng)度高于其他方向,，且塑性最優(yōu)，這表明成形件在宏觀上具有各向異性,。席明哲等采用多向組合方式（不同方向交替熔 覆）得出的試樣則表現(xiàn)出各向同性,，試件的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于焊絲， 而前者塑性低于焊絲,。Liu等根據(jù)不同沉積路徑的變化對Inconel718合金LDF組 織及性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單一沉積路徑和變化沉積路徑得到的試樣抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，但是前者的延伸率明顯低于后者,。在特定路徑條件下,，增材再制造所得的成形件在性能上呈現(xiàn)出各向異性，因此垂直于成形方向上增材部分與基體結(jié)合處的力學(xué)性能研究就顯得尤為重要,，但目前國內(nèi)在此方面的研究較少,。

熱輸入
費群星等研究了LDF不同工藝參數(shù)對試件 組織和性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1）沿沉積方向的重熔區(qū)截面呈片狀,，多為柱狀晶,，且晶粒向上呈放射狀生長；
2）當(dāng)加大激光功率、增加熱輸入量時,，可觀察到晶粒的跨層生長現(xiàn)象,，重熔區(qū)厚度顯著增大；
3）過高的功率會使熱積累加大,，從而使試樣產(chǎn)生織構(gòu)，柱狀晶外側(cè)界面容易產(chǎn)生熱裂紋,。
Ganesh等 在 研究工藝參數(shù)對成形性能影響時發(fā)現(xiàn)：工藝參數(shù)可影響沉積效率,，促使組織形態(tài)發(fā)生明顯變化，形成柱狀枝晶和胞狀晶的混合形態(tài),。徐富家等研究峰值電流,、脈沖頻率、焊接速度和送絲速度對PAＲ成形件組織性能影響時發(fā)現(xiàn)：低峰值電流和高焊接速度可獲得細(xì)小致密的枝晶組織,，析出的Laves相和金屬碳化物呈彌散分布特征,；增大脈沖頻率或降 低送絲速度會使組織粗大，Laves相和金屬碳化物增多,， 且呈連續(xù)分布特征,。上述研究結(jié)果反映了增材再制造過程中循環(huán)熱輸入產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)對成形件組織與性能的影響 規(guī)律，但是均采用定性描述,，缺乏對熱積累效應(yīng)的定 量研究,。

冷卻速度
由于GTAW熱輸入量較小、能量密度較低,，因此成形件受熱過程中冷卻速度低于PAＲ,、LDF。王威等系統(tǒng)研究了不同冷卻速度對Inconel718合 金碳化物,、Laves相析出規(guī)律的影響,，如圖5所示。上述結(jié)果表明：
1）冷卻速度較低時,，碳化物呈 鏈狀分布在枝晶間,，呈大塊狀相連；
2）隨著冷卻速度的加快,， 碳化物逐漸向小塊狀轉(zhuǎn)變,，尺寸也隨之減小,；
3）聚集狀態(tài)類似于碳化物,，而隨著冷卻速度的加快，呈彌散分布且尺寸逐漸減小 ,。
Yin等提 出碳化物的析出量和析出形態(tài)均會對合金的力學(xué)性 能產(chǎn)生重要影響,，彌散分布且尺寸較小的碳化物形貌更優(yōu)。當(dāng)Laves相尺寸每減小1μm時，室溫斷面收縮率就可提高2．5% ,。目前還無相關(guān)報道證明 完全消除Laves相是可行的,，因此探討工藝參數(shù)對Laves相尺寸數(shù)量的定量影響關(guān)系具有重要意義。

3發(fā)展與展望
針對增材再制造技術(shù)工藝及組織性能的特點,， 未來研究熱點將集中在以下方面：
1）提高成形件精度,，減小熱影響區(qū)。引入脈沖 工藝,，通過調(diào)控峰值電流,、基值電流、脈沖頻率,、占空 比等工藝參數(shù),，準(zhǔn)確控制增材再制造熱輸入量及冷卻速率，從而較好地控制熔池尺寸,， 提高成形精度,。
2）優(yōu)化成形件組織。
一是研究枝晶的大小,、分布及間距與冷卻速率和熱輸入的定量關(guān)系,；
二是研究垂直于成形方向上增材部分與基體結(jié)合處的力學(xué)性能，避免各向異性帶來的不利影響,；
三是研究再制造過程中循環(huán)熱輸入產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)對成形件組 織與性能的影響規(guī)律,，降低有害Laves相的析出，從而提高成形件的力學(xué)性能,。